Nimeni nu înțelege ce este conștiința și cum funcționează. Nimeni nu înțelege nici mecanica cuantică. Ar putea fi mai mult decât o simplă coincidență? "Nu pot identifica problema reală, așa că bănuiesc că nu există nicio problemă reală, dar nu sunt sigur că nu există o problemă reală." Fizicianul american Richard Feynman a spus acest lucru despre paradoxurile misterioase ale mecanicii cuantice. Astăzi fizicienii folosesc această teorie pentru a descrie cele mai mici obiecte din univers. Dar el ar putea spune același lucru despre problema complicată a conștiinței.
Unii oameni de știință cred că deja înțelegem conștiința sau că este doar o iluzie. Dar mulți alții cred că nici nu ne-am apropiat de esența conștiinței.
Un puzzle peren, numit „conștiință” a determinat chiar unii oameni de știință să încerce să-l explice folosind fizica cuantică. Dar zelul lor a fost întâmpinat cu o cantitate corectă de scepticism și acest lucru nu este surprinzător: pare nerezonabil să explici o ghicitoare cu alta.
Dar astfel de idei nu sunt niciodată absurde și nici măcar din tavan.
Pe de o parte, mult spre disperarea fizicienilor, mintea refuză inițial să înțeleagă teoria cuantică timpurie. Mai mult, se presupune că calculatoarele cuantice sunt capabile de lucruri pe care computerele convenționale nu le pot. Acest lucru ne amintește că creierul nostru este în continuare capabil de faguri dincolo de atingerea inteligenței artificiale. „Conștiința cuantică” este ridiculizată pe scară largă ca o prostie mistică, dar nimeni nu a reușit să o risipească complet.
Mecanica cuantică este cea mai bună teorie pe care o avem pentru descrierea lumii la nivelul atomilor și a particulelor subatomice. Poate cel mai cunoscut dintre misterele sale este faptul că rezultatul unui experiment cuantic se poate schimba în funcție de faptul dacă hotărâm să măsurăm sau nu proprietățile particulelor implicate în el.
Când pionierii teoriei cuantice au descoperit pentru prima dată acest „efect de observator”, aceștia s-au alarmat cu seriozitate. Părea să submineze presupunerea care stă la baza întregii științe: că există o lume obiectivă acolo, independentă de noi. Dacă lumea se comportă în funcție de cum - sau dacă - ne uităm la ea, ce ar însemna cu adevărat „realitatea”?
Video promotional:
Unii oameni de știință au fost obligați să concluzioneze că obiectivitatea este o iluzie și că conștiința trebuie să joace un rol activ în teoria cuantică. Alții pur și simplu nu au văzut niciun sens comun în acest sens. De exemplu, Albert Einstein s-a enervat: Luna există doar atunci când o privești?
Astăzi, unii fizicieni bănuiesc că nu este vorba despre faptul că conștiința nu afectează mecanica cuantică … ci că de fapt a apărut din cauza acesteia. Ei cred că este posibil să avem nevoie de teoria cuantică pentru a înțelege cum funcționează creierul. S-ar putea ca la fel cum obiectele cuantice pot fi în două locuri în același timp, tot așa un creier cuantic poate însemna simultan două lucruri care se exclud reciproc?
Aceste idei sunt controversate. Se poate dovedi că fizica cuantică nu are nicio legătură cu funcționarea conștiinței. Dar măcar ei demonstrează că teoria cuantică ciudată ne face să gândim lucruri ciudate.
Cel mai bun lucru este că mecanica cuantică își face drum în conștiința umană printr-un experiment cu două fante. Imaginează-ți un fascicul de lumină care lovește un ecran cu două fante paralele strâns distanțate. O parte din lumină trece prin fante și cade pe un alt ecran.
Poți gândi la lumină ca la un val. Când undele trec prin două fante, ca într-un experiment, acestea se ciocnesc - se amestecă - unele cu altele. Dacă vârfurile lor se potrivesc, se consolidează reciproc, rezultând o serie de benzi de lumină alb-negru pe un al doilea ecran negru.
Acest experiment a fost utilizat pentru a arăta natura valurilor luminii timp de peste 200 de ani înainte de apariția teoriei cuantice. Apoi, experimentul cu o fanta dubla a fost realizat cu particule cuantice - electroni. Acestea sunt particule minuscule încărcate, componente ale unui atom. Într-un mod de neînțeles, dar aceste particule se pot comporta ca niște valuri. Adică sunt difractate când un flux de particule trece prin două fante, producând un model de interferență.
Să presupunem acum că particulele cuantice trec prin fante una câte una și sosirea lor pe ecran va fi, de asemenea, observată pas cu pas. Acum nu există nimic evident care ar face ca particulele să intervină în calea sa. Dar imaginea particulelor care lovește va arăta în continuare franjuri.
Totul indică faptul că fiecare particulă trece simultan prin ambele fante și interferează cu ea însăși. Această combinație a celor două căi este cunoscută sub numele de starea de suprapunere.
Dar iată ce este ciudat.
Dacă plasăm detectorul într-una dintre fante sau în spatele acestuia, am putea afla dacă particulele trec sau nu. Dar, în acest caz, interferența dispare. Simplul fapt de a respecta calea unei particule - chiar dacă respectiva observație nu ar trebui să interfereze cu mișcarea particulei - schimbă rezultatul.
Fizicianul Pascual Jordan, care a lucrat cu guru-ul cuantic Niels Bohr în Copenhaga în anii 1920, a spus-o astfel: „Observațiile nu numai că încalcă ceea ce trebuie măsurat, ci îl determină … Forțăm particula cuantică să aleagă o anumită poziție. Cu alte cuvinte, Jordan spune că „ne facem propriile măsurători”.
Dacă da, realitatea obiectivă poate fi pur și simplu aruncată pe fereastră.
Dar ciudățile nu se termină aici.
Dacă natura își schimbă comportamentul în funcție de faptul că ne uităm sau nu, am putea încerca să o răsucim în jurul degetelor. Pentru a face acest lucru, am putea măsura calea parcursă de particule la trecerea prin fanta dublă, dar numai după ce a trecut prin ea. Până la acel moment, ea ar trebui să „decidă” deja dacă trebuie să meargă printr-o cale sau prin ambele.
Un fizician american John Wheeler a propus un astfel de experiment în anii '70, iar în următorii zece ani, a fost efectuat un experiment cu "alegerea întârziată". Utilizează metode inteligente pentru a măsura căile particulelor cuantice (de obicei particule ușoare - fotoni) după ce aleg o cale, sau o superpoziție a două.
S-a dovedit că, așa cum a prezis Bohr, nu are nicio diferență dacă amânăm sau nu măsurătorile. Atâta timp cât măsurăm calea fotonului înainte să lovească și să se înregistreze în detector, nu există nicio interferență. Se pare că natura „știe” nu numai atunci când plângem, ci și când intenționăm să facem pipi.
Eugene Wigner
Ori de câte ori în aceste experimente descoperim calea unei particule cuantice, norul său de rute posibile „se micșorează” într-o singură stare bine definită. Mai mult, un experiment cu întârziere sugerează că însăși actul de observare, fără nicio intervenție fizică cauzată de măsurare, poate provoca colaps. Înseamnă acest lucru că adevărata colaps are loc numai atunci când rezultatul măsurării ajunge la conștiința noastră?
Această posibilitate a fost propusă în anii 1930 de către fizicianul maghiar Eugene Wigner. „De aici rezultă că descrierea cuantică a obiectelor este influențată de impresiile care intră în conștiința mea”, a scris el. „Solipsismul poate fi logic în concordanță cu mecanica cuantică”.
Wheeler s-a amuzat chiar de ideea că prezența unor lucruri vii capabile să „observe” a transformat ceea ce anterior era o multitudine de trecut cuantic posibil într-o singură poveste concretă. În acest sens, spune Wheeler, devenim participanți la evoluția universului de la bun început. Potrivit lui, trăim într-un "univers complicat".
Fizicienii încă nu pot alege cea mai bună interpretare a acestor experimente cuantice și, într-o anumită măsură, aveți dreptul să faceți acest lucru. Dar într-un fel sau altul, subtextul este evident: conștiința și mecanica cuantică sunt conectate cumva.
Începând cu anii 1980, fizicianul englez Roger Penrose a sugerat că această legătură ar putea funcționa într-o direcție diferită. El a spus că, indiferent dacă conștiința afectează sau nu mecanica cuantică, poate că mecanica cuantică este implicată în conștiință.
Fizicianul și matematicianul Roger Penrose
Și Penrose a mai întrebat: ce se întâmplă dacă în creierul nostru există structuri moleculare care își pot schimba starea ca răspuns la un eveniment cuantic? Aceste structuri pot adopta o stare de superpoziție, cum ar fi particulele din experimentul cu dublă fanta? S-ar putea ca aceste superpoziții cuantice să se manifeste atunci în modul în care neuronii comunică prin semnale electrice?
Poate, a spus Penrose, capacitatea noastră de a menține stări mentale aparent incompatibile nu este o ciudă perceptivă, ci un efect cuantic real?
La urma urmei, creierul uman pare să poată procesa procesele cognitive care sunt încă mult superioare computerelor digitale în ceea ce privește capacitățile. S-ar putea chiar să putem efectua sarcini de calcul care nu pot fi efectuate pe computere obișnuite folosind logica digitală clasică.
Penrose a sugerat pentru prima dată că efectele cuantice sunt prezente în mintea umană în cartea sa din 1989, The Emperor's New Mind. Ideea sa principală a fost „reducerea obiectivului orchestrat”. Reducerea obiectivă, conform Penrose, înseamnă că prăbușirea interferenței cuantice și a superpoziției este un proces fizic real, precum o bulă explozivă.
Reducerea obiectivului orchestrat se bazează pe presupunerea lui Penrose că gravitația care afectează obiecte, scaune sau planete de zi cu zi nu prezintă efecte cuantice. Penrose consideră că suprapoziția cuantică devine imposibilă pentru obiecte mai mari decât atomii, deoarece influența lor gravitațională ar duce apoi la existența a două versiuni incompatibile ale spațiu-timpului.
Atunci Penrose a dezvoltat această idee cu medicul american Stuart Hameroff. În cartea sa Shadows of Mind (1994), el a sugerat că structurile implicate în această cunoaștere cuantică ar putea fi filamente proteice - microtubuli. Ele se găsesc în majoritatea celulelor noastre, inclusiv în neuronii creierului. Penrose și Hameroff au susținut că în timpul procesului de oscilație, microtubulii pot asuma o stare de suprapunere cuantică.
Dar nu este nimic care să sugereze că acest lucru este posibil deloc.
S-a presupus că ideea de superpoziții cuantice în microtubuli va fi susținută de experimentele propuse în 2013, dar, de fapt, aceste studii nu au menționat efectele cuantice. În plus, majoritatea cercetătorilor sunt de părere că ideea reducerilor obiective orchestrate a fost deconectată de un studiu publicat în 2000. Fizicianul Max Tegmark a calculat că superpozițiile cuantice ale moleculelor implicate în semnalele neuronale nu vor putea exista nici măcar pentru momentul necesar pentru transmiterea semnalului.
Efectele cuantice, inclusiv superpoziția, sunt foarte fragile și sunt distruse într-un proces numit decoență. Acest proces se datorează interacțiunilor unui obiect cuantic cu mediul său, din moment ce „cuanticul” se scurge.
Se considera că Decoherența este extrem de rapidă în medii calde și umede, cum ar fi celulele vii.
Semnalele nervoase sunt impulsuri electrice cauzate de trecerea atomilor încărcați electric prin pereții celulelor nervoase. Dacă unul dintre acești atomi se afla în superpoziție și apoi s-a ciocnit cu un neuron, Tegmark a arătat că superpoziția ar trebui să se descompună în mai puțin de o miliardime de miliardime de secundă. Este nevoie de zece mii de miliarde de ori mai mult pentru ca un neuron să emită un semnal.
Acesta este motivul pentru care ideile despre efectele cuantice din creier nu sunt testate de sceptici.
Însă Penrose insistă neobișnuit asupra ipotezei OER. Și în ciuda prezicerii decernării ultrarapide a Tegmark în celule, alți oameni de știință au descoperit manifestări ale efectelor cuantice în ființele vii. Unii susțin că mecanica cuantică este folosită de păsările migratoare, care folosesc navigația magnetică și plantele verzi, atunci când folosesc lumina solară pentru a face zahăr prin fotosinteză.
Acestea fiind spuse, ideea că creierul poate folosi trucuri cuantice refuză să plece. Pentru că au găsit un alt argument în favoarea sa.
Fosforul poate menține o stare cuantică?
Într-un studiu din 2015, fizicianul Matthew Fisher de la Universitatea din California, Santa Barbara a susținut că creierul poate conține molecule care pot rezista la superpoziții cuantice mai puternice. În special, el consideră că nucleele atomilor de fosfor pot avea această capacitate. Atomii de fosfor se găsesc peste tot în celulele vii. Adesea iau forma ionilor fosfat, în care un atom de fosfor se combină cu patru atomi de oxigen.
Astfel de ioni sunt unitatea principală de energie din celule. Cea mai mare parte a energiei celulelor este stocată în molecule de ATP, care conțin o secvență de trei grupări de fosfați atașate la o moleculă organică. Când unul dintre fosfați este tăiat, este eliberată energie care este utilizată de celulă.
Celulele au aparate moleculare pentru asamblarea ionilor de fosfat în clustere și descompunerea acestora. Fisher a propus o schemă în care doi ioni fosfat pot fi plasați într-o superpoziție de un anumit fel: într-o stare încurcată.
Nucleii fosforului au o proprietate cuantică - spin - care îi face să arate ca niște magneți mici cu poli îndreptați în anumite direcții. Într-o stare încurcată, spinul unui nucleu de fosfor depinde de celălalt. Cu alte cuvinte, stările încurcate sunt stări de superpoziție care implică mai mult de o particulă cuantică.
Fisher spune că comportamentul mecanic cuantic al acestor rotiri nucleare poate contracara decelența. El este de acord cu Tegmark că vibrațiile cuantice despre care au vorbit Penrose și Hameroff vor depinde foarte mult de mediul lor și „decorează aproape imediat”. Dar rotirile nucleelor nu interacționează atât de puternic cu mediul lor.
Și totuși, comportamentul cuantic al rotirilor nucleelor de fosfor trebuie să fie „protejat” de decoență.
Particulele cuantice pot avea rotiri diferite
Acest lucru s-ar putea întâmpla, spune Fischer, dacă atomii de fosfor sunt încorporați în obiecte mai mari numite „molecule Posner”. Sunt grupuri de șase ioni fosfat combinați cu nouă ioni de calciu. Există câteva indicii că astfel de molecule pot fi în celulele vii, dar până acum nu sunt foarte convingătoare.
În moleculele Posner, susține Fischer, învârtirile fosforului pot rezista decoenței timp de o zi sau ceva, chiar și în celulele vii. Prin urmare, ele pot afecta și funcționarea creierului.
Ideea este că moleculele lui Posner pot fi preluate de neuroni. Odată ajunși în interior, moleculele vor activa un semnal către un alt neuron, decăderea și eliberarea ionilor de calciu. Datorită înțelegerii în moleculele lui Posner, două dintre aceste semnale pot deveni încurcate pe rând: într-un fel, va fi o superpoziție cuantică a „gândului”. „Dacă procesarea cuantică cu rotiri nucleare este de fapt prezentă în creier, aceasta ar fi extrem de comună, se întâmplă tot timpul”, spune Fisher.
Această idee i-a venit pentru prima dată când se gândea la boli mintale.
Capsula de carbonat de litiu
„Introducerea mea în biochimia creierului a început atunci când am decis să investighez cum și de ce ionul de litiu are un efect atât de radical în tratarea problemelor de sănătate mintală”, spune Fisher.
Medicamentele cu litiu sunt utilizate pe scară largă pentru tratarea tulburărilor bipolare. Ei funcționează, dar nimeni nu știe cu adevărat de ce.
„Nu căutam o explicație cuantică”, spune Fisher. Dar apoi a dat peste o hârtie care descria modul în care preparatele de litiu au efecte diferite asupra comportamentului șobolanilor în funcție de ce formă - sau „izotop” - de litiu a fost utilizat.
La început, acest lucru a încurcat oamenii de știință. Din punct de vedere chimic, izotopii diferiți se comportă în același mod, așa că, dacă litiu a funcționat ca un medicament comun, izotopii trebuie să fi avut același efect.
Celulele nervoase sunt conectate la sinapse
Dar Fischer și-a dat seama că nucleele de atomi de izotopi de litiu diferiți pot avea diferite rotiri. Această proprietate cuantică poate influența modul de funcționare a medicamentelor pe bază de litiu. De exemplu, dacă litiu înlocuiește calciul în moleculele Posner, rotirile de litiu pot avea un efect asupra atomilor de fosfor și le pot împiedica să se încurce.
Dacă acest lucru este adevărat, s-ar putea explica și de ce litiu poate trata tulburările bipolare.
În acest moment, presupunerea lui Fischer nu este decât o idee intrigantă. Există însă mai multe moduri de a-l verifica. De exemplu, faptul că rotirile fosforului din moleculele Posner pot menține coerența cuantică mult timp. Acesta este Fisher și intenționează să verifice mai departe.
Cu toate acestea, se teme să fie asociat cu concepte anterioare de „conștiință cuantică”, pe care le consideră speculative în cel mai bun caz.
Conștiința este un mister profund
Fizicienilor nu le place foarte mult să se afle în propriile lor teorii. Mulți dintre ei speră că conștiința și creierul pot fi extrase din teoria cuantică și poate invers. Dar nu știm ce este conștiința, cu atât mai puțin faptul că nu avem o teorie care să o descrie.
Mai mult decât atât, ocazional există exclamații puternice conform cărora mecanica cuantică ne va permite să stăpânim telepatia și telekineza (și, deși undeva în profunzimea conceptelor, acest lucru poate fi așa, oamenii iau totul prea literal). Prin urmare, fizicienilor le este în general teamă să menționeze cuvintele „cuantic” și „conștiință” într-o singură propoziție.
În 2016, Adrian Kent, de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie, unul dintre cei mai respectați „filozofi cuantici”, a sugerat că conștiința poate schimba comportamentul sistemelor cuantice într-un mod subtil, dar detectabil. Kent este foarte atent în declarațiile sale. „Nu există niciun motiv convingător pentru a crede că teoria cuantică este o teorie adecvată din care să tragem o teorie a conștiinței sau că problemele teoriei cuantice trebuie să se suprapună cumva cu problema conștiinței”, recunoaște el.
El adaugă însă că este complet de neînțeles cum poți deduce o descriere a conștiinței, bazată exclusiv pe fizica pre-cuantică, cum să descrie toate proprietățile și caracteristicile acesteia.
Nu înțelegem cum funcționează gândurile
O întrebare deosebit de tulburătoare este modul în care mintea noastră conștientă poate experimenta senzații unice, cum ar fi roșu sau mirosul cărnii de prăjire. În afară de persoanele cu deficiențe de vedere, știm cu toții cum arată roșul, dar nu putem transmite acest sentiment, iar în fizică nu există nimic care să ne spună cum arată.
Sentimente ca acestea se numesc calia. Le percepem ca proprietăți uniforme ale lumii externe, dar, în realitate, sunt produse ale conștiinței noastre - și acest lucru este dificil de explicat. În 1995, filozoful David Chalmers a numit aceasta „problema grea” a conștiinței.
„Orice lanț de gândire despre legătura dintre conștiință și fizică duce la probleme grave”, spune Kent.
Acest lucru l-a determinat să sugereze că „am putea face unele progrese în înțelegerea problemei evoluției conștiinței, dacă am admite (cel puțin doar admis) că conștiința schimbă probabilitățile cuantice”.
Cu alte cuvinte, creierul poate influența efectiv rezultatele măsurării.
Din acest punct de vedere, nu definește „ceea ce este real”. Dar poate afecta probabilitatea ca fiecare dintre realitățile posibile impuse de mecanica cuantică să fie respectată. Chiar și teoria cuantică în sine nu poate prezice acest lucru. Iar Kent crede că am putea căuta astfel de manifestări experimental. Chiar și evaluează cu îndrăzneală șansele de a le găsi.
„As presupune cu o certitudine de 15% ca constiinta provoaca abateri de la teoria cuantica; și încă 3 la sută pe care le vom confirma experimental în următorii 50 de ani”, spune el.
Dacă se va întâmpla acest lucru, lumea nu va fi la fel. Merită explorat pentru asta.
ILYA KHEL
